Espín del electrón
¿Qué es el espín de los electrones?
El espín de los electrones es una propiedad de los electrones que se manifiesta como una fuerza magnética en un campo magnético. Es difícil decir qué es realmente. En el experimento de Stern-Gerlach se puede demostrar que existe un efecto de fuerza entre los campos magnéticos y los electrones que solo se puede explicar por el espín de los electrones. Hoy en día, muchas propiedades magnéticas de la materia, como el para y el ferromagnetismo, pueden explicarse por el espín de los electrones.Índice
Muchas partículas elementales poseen un espín.
Mientras que es fácil visualizar la masa o la carga como propiedades de las partículas elementales, esto resulta más difícil en el espín.
Un electrón, p.
ej., tiene una masa de 9,1•10-31
kg y una carga de -1,6•10-19
C.
El espín a menudo solo se especifica como un número cuántico y, dependiendo de la orientación, es +1/2 (espín «arriba») o -1/2 (espín «abajo») en los electrones.
Según la teoría cuántica, el espín es una propiedad similar al momento angular.
En mecánica, el momento angular está causado, p.
ej., por un movimiento circular.
Sin embargo, a diferencia de un simple movimiento circular, el espín es una propiedad fundamentalmente inmutable.
Se puede cambiar la dirección del espín, pero no se puede reducir ni aumentar.
Observación del espín del electrón mediante el experimento de Stern y Gerlach
El espín se observó mediante el experimento de Stern y Gerlach excitando átomos de plata a través de un potente campo magnético inhomogéneo.
En el experimento de Stern y Gerlach, se vaporizan átomos de plata en un horno.
Los átomos (en gris) salen volando por una abertura hacia un campo magnético intenso e inhomogéneo (en rojo).
Un campo magnético inhomogéneo presenta una intensidad muy diferente en distintos puntos del espacio.
En consecuencia, una fuerza actúa sobre los momentos magnéticos, lo que hace que los átomos se desvíen en su trayectoria.
Como los átomos de plata no poseen momentos magnéticos significativos (aparte del espín del electrón), antes de realizar el experimento se esperaba que los átomos se desviaran solo ligeramente y no en determinadas direcciones preferentes, sino en una distribución continua.
Sin embargo, en la pantalla se observaron dos puntos discretos detrás del campo magnético.
En consecuencia, debe existir un momento magnético de los átomos de plata que posea exactamente dos configuraciones posibles y que era desconocido hasta entonces.
Esto condujo al descubrimiento del espín del electrón.
Aunque antes del experimento de Stern y Gerlach se suponía que los átomos de plata no poseían un momento magnético,
se observó que estos se desviaban sobre los átomos de plata en el campo magnético, es decir, una fuerza magnética.
En el experimento de Stern y Gerlach, la mitad de los átomos se desvían en una dirección determinada, mientras que la otra mitad se desvía exactamente en sentido opuesto.
El experimento de Stern y Gerlach demostró, por tanto, que los átomos sí poseen un momento magnético sobre el que actúa una fuerza en un campo magnético inhomogéneo. Ese momento magnético también debe seguir teniendo dos direcciones de ajuste posibles. En consecuencia, los físicos dedujeron una propiedad de los electrones que explicara el efecto de fuerza magnética observado. Esta propiedad se denominó «espín del electrón». Antes del experimento de Stern y Gerlach, no se conocía el espín de los electrones, ya que no había ninguna razón para deducir tal propiedad adicional del espín de los electrones. Solo el experimento de Stern y Gerlach demostró que debía existir tal propiedad hasta entonces desconocida. Así pues, el espín del electrón se descubrió a partir de su momento magnético y después se incorporó a la teoría cuántica para describir los electrones. Se constató que solo puede poseer dos direcciones de ajuste, a saber, espín «arriba» o espín «abajo».
El espín de una partícula conlleva importantes consecuencias para el movimiento y su localización. Según el principio de Pauli, dos electrones de un átomo no pueden ser idénticos en todas sus propiedades. Al elaborar la tabla periódica, se constató que siempre pueden estar presentes exactamente dos electrones en un átomo en un estado con la misma energía y el mismo momento angular. Sin embargo, estos dos electrones deben diferir en su espín. Ambos electrones tienen espines opuestos. Los momentos magnéticos de estos espines se compensan mutuamente. Los electrones están «apareados». Si los átomos solo tienen estos electrones apareados, el espín total de los átomos, que está determinado principalmente por el espín del electrón, es aproximadamente cero. Los átomos no tienen ningún espín total resultante que pueda alinearse en un campo magnético externo y se comportan de manera diamagnética.
Sin embargo, los átomos de plata del experimento Stern y Gerlach tienen un electrón desapareado. Su espín total resultante corresponde aproximadamente al espín de este electrón. Por ejemplo, en el caso del oxígeno incluso dos electrones están desapareados y pueden alinearse en el campo magnético. En ambos casos, se habla de «paramagnetos». Los paramagnetos alinean sus espines en un campo magnético externo y, por tanto, se atraen.
La figura de la izquierda muestra de manera esquemática la configuración de los electrones del helio (diamagnético) con un espín total resultante de 0 y a la derecha, la configuración electrónica del oxígeno triplete con un espín total resultante de 1.
Los espines de los electrones se muestran como flechas que simbolizan el momento magnético asociado.
En el oxígeno triplete, dos espines de los electrones están desparejados.
El oxígeno es paramagnético.
El modelo mostrado no es exacto y solo tiene fines ilustrativos.
Algunos materiales presentan una fuerte interacción, conocida como «interacción de intercambio», entre los espines alineados de los electrones.
La interacción de intercambio también se genera por el principio de Pauli.
Si es mayor que la energía térmica de los electrones, el material se comporta de manera ferromagnética
en un campo magnético externo.
Los espines de los electrones permanecen alineados incluso después de desconectar el campo magnético externo, lo que puede medirse como «remanencia», es decir, como una magnetización residual.
En la actualidad, se sabe que los protones y los neutrones también tienen espín, pero su efecto magnético es mil veces menor que el de los electrones. El espín de los protones y los neutrones está formado por el espín de las partículas elementales, es decir, los quarks, que componen los protones y los neutrones.
Según el modelo de partículas elementales, todas las partículas elementales tienen espines de diferentes tamaños. El espín se puede detectar básicamente a través de su momento magnético. Según las ecuaciones de Maxwell, las leyes de la electricidad y el magnetismo, un momento magnético siempre se crea por una corriente, es decir, un movimiento de electrones.
Idea de espín del electrón: aún hoy sin respuesta satisfactoria
Aún no se ha podido explicar satisfactoriamente qué es el espín del electrón. En el pasado, se pensaba que el espín era la rotación de las partículas elementales esféricas alrededor de su propio eje.Sin embargo, resulta contradictorio imaginar el espín de los electrones como una rotación alrededor de su propio eje. Esto es contradictorio, ya que los electrones no son simplemente esferas cargadas, como se suponía antaño. Los electrones presentan, más bien, ciertas propiedades de ondas con una determinada longitud y ciertas propiedades de esferas, como el hecho de que los electrones puedan ser «sacados» de un átomo.
Desde un punto de vista físico, el problema de los espines de los electrones se ha abordado de manera suficiente identificando el espín del electrón con el momento magnético mensurable o haciendo referencia a los grados de libertad del espín en las teorías matemáticas modernas.
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt
El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.
Dr. Franz-Josef Schmitt
El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.
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